sprężarka typu scroll evi dla pomp ciepła
TRANSCRIPT
Sprężarka z technologią Scroll EVI dla pomp ciepła
Zasada funkcjonowania sprężarki z technologią Scroll EVI
Porównanie parametrów pomp ciepła ze sprężarką standardową i ze Scroll EVI
Korzyści z zastosowania technologii Scroll EVI w sprężarce pompy ciepła
Wydanie 1/2016
25.05.2016
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl
2
Możliwości zastosowania pomp ciepła
ze względu na maks. temperaturę zasilania
35 oC
55 oC
65 oC
W większości pomp ciepła przeznaczonych do ogrzewania
budynku i podgrzewania wody użytkowej, maksymalna
temperatura zasilania wynosi od 50 do 55 oC (samodzielnie
bez wspomagania pracą podgrzewacza elektrycznego).
Według rozporządzenia KE 811/2013 pompa ciepła
średniotemperaturowa przy swojej deklarowanej mocy
grzewczej musi zapewnić temperaturę zasilania 55 oC.
Niektóre pompy ciepła określa się niskotemperaturowymi,
gdy temperatura zasilania dla deklarowanej wydajności
wynosi 35 oC. Są one przede wszystkim stosowane do
współpracy z ogrzewaniem podłogowym. Zazwyczaj osiągają
one maks. temperaturę zasilania nieco powyżej 50 oC, tak
aby zapewnić także podgrzewanie wody użytkowej.
Można jeszcze wyróżnić na rynku pompy ciepła tzw.
„wysokotemperaturowe”, które pozwalają na osiąganie
podwyższonych temperatur zasilania na poziomie 65 oC.
Dzięki temu można je stosować w każdym rodzaju budynku
i dodatkowo zwiększyć poziom komfortu wody użytkowej.
3
Sprężarka – „serce” pompy ciepła
Sprężarka jest często uznawana za główny
podzespół („serce”) pompy ciepła. Jest to w pełni
uzasadnione rolą jaką spełnia ona w obiegu
chłodniczym i znaczeniem dla możliwości
użytkowych (zakres temperatur pracy i regulacji
mocy grzewczej) oraz znaczeniem dla uzyskiwanej
przez pompę ciepła efektywności energetycznej.
Często niezawodność i trwałość pompy ciepła
postrzega się przez pryzmat zastosowanej w niej
sprężarki. Producenci podkreślają długość trwania
gwarancji na sprężarkę, która może wynosić nawet
10 lat jak w przypadku sprężarek w pompach ciepła
Vaillant flexoTHERM i flexoCOMPACT.
10 lat gwarancji materiałowej
dla sprężarki w pompach
ciepła typoszeregów Vaillant
flexoTHERM/flexoCOMPACT
4
Sprężarka dla „wysokotemperaturowej”
pomp ciepła
Miejsca wtrysku par czynnika do strefy średniego
ciśnienia w sprężarce typu Scroll (spiralna)
Źródło: „Enhanced Vapour Injection (EVI) for ZH CoppelandTM Scroll Compressors”, Emerson, 2014
Aby osiągnąć podwyższoną temperaturę zasilania, pompa ciepła musi być wyposażona
w sprężarkę specjalnej konstrukcji. Przykładem jest sprężarka spiralna (Scroll) firmy
CopelandTM, w której zmodyfikowano obieg czynnika chłodniczego. Technologia EVI
pozwala uzyskiwać zwiększone ciśnienie czynnika na wyjściu ze sprężarki. Wyższe
ciśnienie skraplania i większa ilość czynnika w skraplaczu pozwala osiągać wyższą
wydajność grzewczą i temperaturę przemiany. W efekcie woda grzewcza odbierająca
ciepło w skraplaczu może osiągać podwyższoną temperaturę: do 65 oC.
5
Budowa pompy ciepła ze sprężarką
w technologii Scroll EVI
3
4
2
1
7
5 6
Wo
da
grz
ew
cza
Do
lne
źró
dło
cie
pła
(so
lan
ka)
Czynnik chłodniczy (R410a) odbiera ciepło z dolnego
źródła ciepła (solanki) w parowniku (1). Przez zawór 4-
drogowy (2) dociera do sprężarki (3). Po podniesieniu
ciśnienia i temperatury czynnik trafia do skraplacza (4),
gdzie oddaje ciepło do wody grzewczej.
Zawór rozprężny (5) powoduje obniżenie temperatury
i ciśnienia, a czynnik w stanie ciekłym ponownie trafia
do parownika (1).
Różnicą w budowie pompy ciepła ze sprężarką
korzystającą z technologii Scroll EVI, jest zastosowanie
dodatkowego zaworu rozprężnego (6), który część
czynnika chłodniczego kieruje do dodatkowego
elementu obiegu – wymiennika ciepła (7). Następuje
w nim odparowanie czynnika, który zostaje następnie
wprowadzony do sprężarki (3).
Ten proces nosi nazwę EVI – Enhanced Vapor
Injection (tłum. zoptymalizowany wtrysk par) Vaillant flexoTHERM
6
Praca „standardowej” pompy ciepła na
wykresie ciśnienie – entalpia (obieg Lindego)
Przemiany termodynamiczne zachodzące w obiegu chłodniczym standardowej pompy
ciepła składają się z 4 procesów. W obiegu następuje odbiór ciepła z dolnego źródła ciepła
poprzez parownik (1), a następnie sprężanie w sprężarce (2). W skraplaczu (3) czynnik
chłodniczy ulega skropleniu oddając ciepło np. do wody grzewczej. Na końcu z pomocą
zaworu rozprężnego (4) następuje rozprężenie czynnika chłodniczego.
para ciecz
para + ciecz
parowanie
skraplanie
rozp
ręża
nie
1
2
3
4
Entalpia (kJ/kg)
Ciś
nie
nie
(ba
r)
Dolne źródło ciepła
Instalacja grzewcza Wykres pracy pompy ciepła jest
tworzony w zależności od rodzaju
czynnika chłodniczego (np. R410a)
oraz parametrów roboczych
(temperatura dolnego źródła oraz
po stronie odbioru ciepła)
Z wykresu można odczytać
parametry w poszczególnych
punktach obiegu, w jakim stanie
znajduje się czynnik (para, ciecz),
a także jaka jest efektywność COP
na podstawie porównania mocy
chłodniczej i zużycia energii
elektrycznej.
120 oC
18 bar
35 oC
18 bar
-20 oC
2,5 bar 0 oC
2,5 bar
7
Praca pompy ciepła ze sprężarką Scroll EVI
na wykresie ciśnienie – entalpia (obieg Lindego)
W sprężarce, gdzie zastosowano cykl EVI część skroplonego czynnika przepływa przez
dodatkowy zawór rozprężający (5), aby w dodatkowym wymienniku ciepła (6) przy
obniżonym ciśnieniu odparować. Następnie para jest wtryskiwana do sprężarki (do strefy
średniego ciśnienia). Dzięki temu przy stałym ciśnieniu zostaje obniżona temperatura par
czynnika w sprężarce, co pozwala na zwiększenie ciśnienia par czynnika na wyjściu.
para ciecz
para + ciecz
parowanie
skraplanie
rozp
ręża
nie
1
2
3
4
Entalpia (kJ/kg)
Ciś
nie
nie
(ba
r)
Dolne źródło ciepła
Instalacja grzewcza Temperatura pracy sprężarki jest
zwykle ograniczona do maks.
125 oC i osiągnięcie ciśnienia
końcowego na poziomie 30 bar
(jak dla cyklu EVI) wymagało by
większego nakładu pracy sprężarki.
125 oC
30 bar 35 oC
30 bar
-20 oC
2,5 bar 0 oC
2,5 bar
5
6 EVI
!!! 150 oC
Końcowa temperatura 150 oC
zagrażała by jednak trwałości
sprężarki, w szczególności
trwałości oleju smarującego
zawartego w czynniku
chłodniczym.
8
Porównanie pracy pompy ciepła ze sprężarką
standardową i z technologią Scroll EVI
Wtrysk par czynnika chłodniczego do sprężarki powoduje schłodzenie czynnika będącego
już w sprężarce. Pozwala to na jego większe sprężenie (kompresję), bez przekroczenia
dopuszczalnej maksymalnej temperatury pracy sprężarki. Wyższe ciśnienie skraplania,
a także większa ilość czynnika poddawanego skraplaniu, dostarcza do odbiornika ciepła
(woda grzewcza) większą ilość ciepła. Możliwe jest uzyskiwanie wyższych niż zwykle
(5055 oC) temperatur wody na wyjściu ze skraplacza: do 65 oC.
Entalpia (kJ/kg)
Ciś
nie
nie
(ba
r)
125 oC
30 bar 35 oC
30 bar
-20 oC
2,5 bar
0 oC
2,5 bar
120 oC
18 bar 35 oC
18 bar
EVI
standard
Pompa ciepła ze sprężarką EVI
uzyskuje większą moc grzewczą
(~25%) i wyższą efektywność COP
(~10%) przy podwyższonych
temperaturach zasilania.
(źródło: „Copeland Scroll Heating™ Heat Pump.
Optimized Scroll Technology”)
9
Porównanie pracy pompy ciepła ze sprężarką
standardową i z technologią Scroll EVI
Pole pracy (tzw. koperta pracy) sprężarki wskazuje jakie mogą osiągane temperatury wody
grzewczej (temperatura skraplania) przy danej temperaturze w parowniku (dolne źródło
ciepła: powietrze, solanka, itd.). Znacznie szersze pole pracy sprężarki z technologią Scroll
EVI zapewnia utrzymanie temperatury zasilania do 65 oC (punkt ) nawet przy temperaturze
dolnego źródła (powietrze) -15 oC. Przykładowo wymagana temperatura zasilania 55 oC ( )
przy -15 oC nie będzie mogła być osiągana przez „standardową” pompę ciepła. Dla pompy
ciepła ze sprężarką Scroll EVI ten punkt ( ) mieści się w polu pracy.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
60
50
40
30
20
60
50
40
30
20
Scroll EVI Standard
Temperatura parowania (oC) Temperatura parowania (oC)
Te
mp
era
tura
skra
pla
nia
(oC
)
Te
mp
era
tura
skra
pla
nia
(oC
)
10
Porównanie krzywych grzewczych dla pompy
ciepła zależnie od maks. temperatury zasilania Te
mp
era
tura
za
sila
nia
insta
lacji
grz
ew
cze
j (o
C)
Temperatura zewnętrzna (oC)
maks. 65 oC
maks. 55 oC Pompa ciepła ze sprężarką
standardową
Pompa ciepła ze sprężarką
z technologią Scroll EVI
Maksymalna temperatura wody grzewczej dla pompy ciepła ze sprężarką korzystającą
z technologii Scroll EVI wynosi 65 oC, podczas gdy dla „standardowych” pomp ciepła jest to
zwykle nie więcej niż 55 oC. Wyższa temperatura zasilania pozwala na stosowanie pomp
ciepła także w budynkach modernizowanych.
Wyższa temperatura zasilania pozwala na samodzielną pracę pompy ciepła do niższej
temperatury zewnętrznej. Tak zwany punkt biwalencyjny ulegnie przesunięciu i w instalacji
hybrydowej czas pracy kotła grzewczego ulegnie skróceniu.
11
Pompa ciepła ze sprężarką typu Scroll EVI
Vaillant
flexoCOMPACT exclusiv
5,3 do 11,2 kW (B0/W35)
lub 6,2 do 11,5 kW (A2/W35)
Vaillant
flexoTHERM exclusiv
5,3 do 19,7 kW (B0/W35)
lub 6,2 do 19,8 kW (A2/W35)
Sprężarka z technologią Scroll EVI została zastosowana w typoszeregu pomp ciepła
flexoTHERM oraz flexoCOMPACT (z podgrzewaczem wody użytkowej 185 litrów).
12
Efektywność pompy ciepła ze sprężarką
typu Scroll EVI
Pompy ciepła typoszeregu flexoTHERM/flexoCOMPACT osiągają wysoką efektywność
energetyczną. Także w wariancie powietrze/woda posiadają klasę efektywności A++,
a w połączeniu z zaawansowanym regulatorem multiMATIC, nawet najwyższą klasę A+++
(w zależności od wydajności grzewczej).
13
Wspó
łczynn
ik C
OP
(A
2/W
35
)
COP = 3,00÷3,30
22% pomp ciepła
z listy BAFA
COP = 3,31÷3,80
57% pomp ciepła
z listy BAFA
COP = 3,81÷4,10
15% pomp ciepła
z listy BAFA
maks. COP = 4,43
min. COP = 3,10
śr. COP = 3,55
COP = 4,11÷4,50
6% pomp ciepła
z listy BAFA
Vaillant flexoTHERM exclusive VWF 57/4 + aroCOLECT CWL 11/4 SA , COP = 4,22
Zestawienie współczynników COP
dla 927 powietrznych pomp ciepła
(wg listy BAFA, 12.12.2014)
Efektywność COP pompy ciepła ze sprężarką
Scroll EVI – na tle rynku
Komentarz
14
Pompa ciepła ze sprężarką Scroll EVI cechuje się szczególnie wysoką efektywnością
pracy. Efektywność COP = 4,22 należy do jednej z najwyższych na tle rankingu 927 pomp
ciepła typu powietrze/woda, wykonanego na podstawie listy BAFA.
Wymagana minimalna efektywność COP w punkcie pracy A2/W35 (powietrze 2oC / woda
35oC) wynosi 3,10 (zgodnie z decyzją 2007/742/WE KE). Średnia wartość COP dla pomp
ciepła z listy BAFA wynosi 3,55 (czyli niemal o 20% mniej niż dla flexoTHERM exclusive
VWF 57/4 + aroCOLECT CWL 11/4 SA)
Efektywność COP pompy ciepła ze sprężarką
Scroll EVI – na tle rynku
15
Przegląd cech (zalety i wady) sprężarek
z technologią Scroll EVI
ZALETY
większa wydajność chłodnicza (minimum o 25%) oraz wyższa sprawność
(minimum o 10%), szczególnie przy wyższych stosunkach ciśnień,
w porównaniu z rozwiązaniem standardowym
mniejsze rozmiary sprężarki dla uzyskania tej samej wydajności grzewczej:
mniejszy koszt, waga, hałas oraz wibracje
mniejsze średnice rurociągu cieczowego do parownika głównego: mniejsza
ilość czynnika chłodniczego w obiegu (ważne, dla tzw. ustawy f-gazowej)
raczej niezmienna wydajność przy zmieniającej się temperaturze parowania:
stałe parametry pracy
najszersza tzw. koperta pracy: największe możliwości zastosowania
możliwość regulacji wydajności za pomocą wtrysku par: alternatywa
dla silników dwubiegowych czy przetwornic częstotliwości
wtrysk par zabezpiecza sprężarkę przed zbyt wysokimi temperaturami
po stronie tłocznej
WADY dodatkowe elementy systemu chłodniczego: płytowy wymiennik ciepła,
zawór rozprężny, zawór elektromagnetyczny
Źródło: „Sprężarki spiralne z wtryskiem par. Propozycja Copeland dla nowoczesnych pomp ciepła”.
A.Głowala, Technika chłodnicza i klimatyzacyjna, 1/2007
Chłodzenie
Ogrzewanie
Energia odnawialna
Kotły gazowe
Kotły olejowe
Pompy ciepła
Kolektory słoneczne
Systemy wentylacji
www.eko-blog.pl www.vaillant.pl